Przyzwyczailiśmy się już, że elektronika działa na prostych zasadach – jedne elementy pobierają energię, inne ją oddają, a pomiędzy nimi pracuje cała reszta układów odpowiedzialnych za sterowanie, chłodzenie i ograniczanie strat energetycznych. Proste? Proste. Panel słoneczny ma zamieniać światło w prąd. Dioda LED ma zamieniać prąd w światło. Dlaczego jednak ten sam materiał nie mógłby dobrze robić obu tych rzeczy? Właśnie w takim miejscu zaczyna się historia nowego perowskitowego urządzenia.
Jeden materiał i dwa przeciwne zadania
W badaniu opublikowanym w “Joule” naukowcy pochwalili się perowskitową diodą, która działa zarówno jak ogniwo słoneczne, jak i panel LED. W trybie fotowoltaicznym osiągnęła certyfikowaną, stabilizowaną sprawność konwersji energii na poziomie 26,7%, a w trybie emisyjnym uzyskała około 31% zewnętrznej sprawności kwantowej. W dużym uproszczeniu oznacza to, że 31 na 100 wstrzykniętych elektronów kończyło jako foton wydostający się z urządzenia.
Czytaj też: Cała Unia Europejska będzie zazdrościć Polsce. Takiej inwestycji jeszcze nie było
Chociaż takie liczby robią wrażenie, to wbrew pozorom nie są najważniejsze. Perowskity metalohalogenkowe od lat uchodzą bowiem za jedną z najbardziej obiecujących rodzin materiałów dla fotowoltaiki, ponieważ można je wytwarzać relatywnie tanio, dostrajać do pochłaniania lub emitowania różnych długości fali i osadzać w cienkich warstwach. Do tej pory problem polegał jednak na tym, że dobre ogniwo słoneczne i dobra dioda LED wymagają zwykle zupełnie innej konstrukcji. Nie chodzi tylko o szczegóły, a o ich podstawę.
LED wykorzystuje bardzo cienką, nieidealnie ciągłą warstwę perowskitu o rządzie wielkości na poziomie około 50 nanometrów, czyli 0,00005 mm. Taka cienka warstwa ułatwia wydostawanie się światła z urządzenia. Ogniwo słoneczne chce czegoś przeciwnego, bo znacznie grubszej warstwy, jako że musi pochłonąć jak najwięcej padającego światła. W opisywanej konstrukcji warstwa perowskitu ma około 800 nanometrów, czyli 0,0008 mm i choć dla fotowoltaiki ma to sens, to dla LED-a normalnie byłby to ogromny kłopot.
Problem światła, które nie umie uciec
W diodzie LED samo wytworzenie fotonu nie wystarczy. Światło musi jeszcze opuścić urządzenie. Część fotonów odbija się wewnątrz struktury, trafia pod niekorzystnym kątem na granicę między materiałami i zostaje uwięziona. W idealnym świecie taki foton mógłby zostać ponownie wchłonięty i wyemitowany, dostając kolejną szansę na ucieczkę. W świecie pełnym defektów kończy zwykle gorzej, bo energia zamienia się po prostu w ciepło i właśnie dlatego cały trik nie polega wyłącznie na “zrobieniu grubszego LED-a”.
Zespół naukowców musiał opracować strukturę zarządzającą światłem, złożoną z porowatych wysp z tlenku glinu, czyli swojego rodzaju gąbki. Te wyspy mają rozmiary mikrometrowe (około 5 mikrometrów szerokości i około 0,5 mikrometra wysokości), czyli są niewidoczne gołym okiem, a w praktyce działają jak mikroskopijne elementy optyczne, które pomagają kierować światło tam, gdzie powinno trafić.
Czytaj też: Przesunęli granicę fotowoltaiki. Tak rodzą się panele słoneczne o rekordowej mocy
Kluczowe jest to, że te wyspy nie są zwartymi blokami izolatora. Są porowate, więc perowskit może przez nie przerastać i zachować kontakt elektryczny z elektrodą. Jest to bardzo ważne, bo wcześniejsze próby wprowadzania materiałów o niskim współczynniku załamania światła do LED-ów potrafiły poprawiać optykę, ale psuły transport ładunku. Tutaj z kolei jedna struktura ma pomóc optycznie, a do tego nie zabić działania elektrycznego.
Po co komu ekran, który odzyskuje energię?
W testach urządzenie osiągnęło 26,7% sprawności jako ogniwo słoneczne i około 31% sprawności emisyjnej jako LED. Rekord? Jak najbardziej tak, ale nadal nie gotowy produkt. Perowskity nadal muszą udowodnić trwałość, odporność na wilgoć, temperaturę i opłacalność masowej produkcji. Najważniejsze jest więc nie to, że “zaraz dostaniemy świecące panele”, lecz że jedna architektura ograniczyła straty optyczne i elektryczne naraz. Po 1200 godzinach pracy urządzenie zachowało 95% początkowej sprawności, podczas gdy płaska konstrukcja kontrolna spadła do 67%.
Czytaj też: Niemcy chcą podbić dachy i elewacje. Zrobią to dachówkami, które produkują prąd
Najprostszy scenariusz to ekran, który w stanie spoczynku częściowo odzyskuje energię z otoczenia. Nie naładuje smartfona jak panel słoneczny, bo ma za małą powierzchnię i pracuje zwykle w zbyt słabym świetle. Może jednak zmniejszyć straty, wydłużyć czas czuwania i pomóc małym urządzeniom z ekranami, takim jak etykiety elektroniczne, panele informacyjne czy sprzęt IoT. Jest to więc bardzo ważne. Zwłaszcza że do tej pory ogniwo słoneczne i LED wymagały innych kompromisów konstrukcyjnych, ale teraz oto otrzymaliśmy dowód, że pochłanianie i emisję światła da się projektować wspólnie, zamiast traktować je jak dwa oddzielne światy.
Źródła: Joule, Tech Xplore
